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角度传感器测扭矩
2020-11-13
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在20世纪50年代出现了首次使用角度传感器来测量扭矩的技术,角度传感器来测量扭矩具有许多优点,随着感应角度传感器的新发展,被认为已经过时了的这个技术现在正在卷土重来。

测量施加在固定金属轴上的扭矩通常很简单。如果未超过轴的弹性极限,则轴中的扭曲量与扭矩成比例。测量扭曲程度; 查看轴材料的杨氏模量; 应用工程师手册中的数学公式, 你有一个非常好的扭矩测量。

在连续旋转的轴中测量扭矩是比较棘手的问题,现在有几种方法可以做到,但常见的方法是根据旋转轴所需的功率来推断扭矩,这通常意味着测量提供给驱动运动的电动机的电流。这种测量方式较为简单,但不准确,因为电流消耗取决于其他因素,如速度,电压供应,轴承状况,温度等。

用应变计测量扭矩

更准确的方法是使用应变仪或表面声波(SAW)装置测量轴中的扭曲。这种测量方式准确率大幅度提高,但是在轴和外界的应变仪之间需要滑环或一些无线信号传输方法的复杂性。任何曾经不得不在愤怒中使用应变计的工程师都会告诉你 - 应变计理论和应变计实践之间存在很大差异。应变计往往具有较大的温度系数和在恶劣条件下不稳定的恶劣习惯。在实验室中使用应变仪或SAW设备测量扭矩通常很好,但对于许多工业应用来说并不是一个现实的主张。

角度传感器测量扭矩

除了上面两种测量方式外,还有另一种方式。这种测量方式在很久前就已经出现过,根本不是新的,但似乎已经被工程师们给遗忘了。在20世纪50年代首次用于测量发动机的扭矩 - 显着的是用于Hercules / C-130货机的涡轮螺旋桨发动机。

该技术通过测量安装在轴上的两个“多速”旋转变压器之间的相移来测量轴的扭曲和扭矩。('多速'是指旋转变压器的输出: - 双速旋转变速器具有超过180度的循环输出; 36速旋转变压器具有超过10度的循环输出等)

当轴旋转时,每个旋转变压器产生两个信号,其中一个信号随正弦波而变化,另一个信号随余弦信号而变化。为简单起见,下面的图2仅显示了解调的正弦信号。

图1 - 使用多速旋转变压器测量扭矩,图片来源北京优利威

当施加零扭矩时,来自两个旋转变压器的信号显示零相移。当施加扭矩时,一个输出的相位似乎相对于另一个输出。因此,相移与施加的扭矩成正比。使用具有大量循环的多速旋转变压器(例如128),仅需要少量扭曲来产生显着的相移。换句话说,它是一种高度敏感的技术,适用于测量<1度甚至<0.1度的扭曲。

这意味着轴不需要很长,实际上,这种方法所需的轴长度可以<25mm。可以通过使用有意的柔性轴或通过同心地布置旋转变压器来实现 - 一个在另一个内部 - 并且使用(非常)刚性的扭转弹簧连接轴的内部和外部部分。

与应变计不同,旋转变压器具有强大,可靠和准确的特点 - 这就是为什么角度传感器测量扭矩被选中用于航空航天,军事,石油和天然气设备的所有艰巨工作。由于它们是非接触式设备,因此无需任何滑环或射频信号传输。

那么,为什么这种技术不合时宜呢?优利威工程师认为,很重要的一个原因是旋转变压器已经过时了。薄饼或平板旋转变压器(平面中间有一个大孔)是测量扭矩的理想形状,但它们的价格非常昂贵。除此之外,指定旋转变压器的驱动器和处理电子设备可能会非常棘手。由于现代工程师大多熟悉数字电子设备,他们可能不愿意掌握模拟电子设备并测量交流信号的相移。

新一代电感式传感器

如今,旋转变压器越来越多地被更现代的替代品所取代 - 感应编码器或“编码器”。Incoders使用与旋转变压器相同的感应原理工作,但使用印刷电路而不是庞大且昂贵的绕线变压器结构。这对于较小化粘合剂的体积,重量和成本同时较大化测量性能非常重要。

Incoders还提供简单易用的电气接口: - 直流电源输入和串行数据输出。由于灭火器基于与旋转变压器相同的基本物理特性,因此它们具有相同的操作优势 - 在恶劣环境中实现高精度,可靠的测量。更重要的是,它们是角度测量的**外形 - 中间有一个大洞。这允许轴穿过粘合器定子的中间,转子直接连接到旋转轴,这就像旋转变压器一样减少了对滑环的需求。

没有必要指定和提供单独的电子设备,因为所有相邻的电子设备已经在其定子内。有利的是,每转可提供高达4百万计数的压缩机,因此只有微小的角度扭曲足以提供高分辨率的扭矩测量。

与使用应变仪布置可以实现的相比,编码器的热系数较小,并且通过使用相同的时钟信号来触发两个编码器中的读数,可以减少来自具有高角速度的轴的任何动态失真效应。

与starin测量仪技术不同,不存在因过度或冲击施加的扭矩而损坏设备的危险,此外,该技术提供两种测量 - 角度和扭矩,低于使用应变仪测量扭矩的成本。

角度传感器测量扭矩是一种过时的老技术,可能是因为解析器已经过时了。但现代感应编码器正在使用感应物理学进行角度测量,并使用它,使这种有用,稳健且有效的扭矩+角度传感方法重新焕发活力。


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